基于合成场强仪的输电工程地面合成电场研究

张小庆,洪 倩,丰 佳,胡 笳,林旗力

(1.中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司,上海 200001;2.国网经济技术研究院有限公司,北京 102209;3.国网浙江省电力有限公司,浙江 杭州 310007;4.浙江大学资源与环境学院,浙江 杭州 310058)

0 引言

±800 kV直流输电技术以其输电距离远、功率大等特点,在我国特高压电网系统得到了广泛应用[1-2]。自2010年以来,已有数十项此类工程相继投入运行,且未来仍有较多同类工程将开工建设。因此,针对±800 kV直流输电工程的主要电磁环境影响因子地面合成电场开展研究,对保护生态环境和控制电磁公众暴露水平有重要作用[3-4]。

郝黎明等[5]考虑金属回流线的影响,对高压直流输电线路地面合成电场进行计算分析。其在导线电位悬浮工况下对合成电场中导体悬浮电位进行计算,从而明确不同回路地面合成电场的屏蔽特性。曲辉等[6]对高海拔地区特高压杆塔产生的合成电场和电位转移电流进行研究。该研究在离子流条件下计算特高压杆塔合成电场以及电位转移电流特性,建立特高压杆塔带电作业和电位转移的有限元仿真模型,完成合成电场的计算研究。

本文以上述研究结果为基础,选取国内已投运的典型±800 kV直流输电工程,在其投运后的运行初期(竣工环保验收阶段)及运行5年后的运行后期(现阶段)的相同位置开展地面合成电场实测工作,分析地面合成电场场强变化和分布特征,以提高特高压直流输电工程的运行质量。

1 典型工程选取

本文研究选择的输电工程为宁浙线。该工程于2014年开始建设、2016年投运。至本文研究开始时,该工程已正常运行5年,因而运行年限适中。该工程主要服务于用电增长迅速的浙江经济发达地区。该地区一直保持高负荷电力输送,运行工况长期维持高位。该工程输电线路全长1 700多公里,自北向南涉及不同地形地貌和气候条件,沿线区域环境较为典型。运行初期,且地面合成电场实测数据和地理坐标等相关信息齐全,实测点位可回溯性强。故宁浙线在工程技术、运行年限、工况负荷、环境条件、实测条件等方面具有代表性和可研究性。

2 实测方法及条件

2.1 实测方法

本文参照《直流输电工程合成电场限值及其监测方法》(GB 39220—2020)标准,采用HDEM-01合成场强仪进行野外现场实测。仪器在检定有效期范围内,且2次实测的检测单位也相同。2次实测虽然分别参照了《直流换流站与线路合成场强、离子流密度测量方法》(DL/T 1089—2008)和《直流输电工程合成电场限值及其监测方法》(GB 39220—2020),但两者在地面合成电场的测量方法上基本一致。2次实测均采用了检定有效期内的场磨传感器。场磨传感器上积聚的电荷量由式(1)确定。

qs(t)=ε0EA(t)

(1)

式中:ε0为电容率;E为场强;A(t)为电场能量。

2.2 实测布点

±800 kV换流站厂界、衰减断面、电磁环境敏感目标(居民房屋)以及输电线路衰减断面的实测点位、数量与运行初期保持一致[7-8]。输电线路沿线电磁环境敏感目标考虑距离、线高、行政区划等因素[9-10]。本文选取有代表性的20%电磁环境敏感目标进行实测。实测点位与运行初期保持一致。

达标性分析依然以标准中规定的E95< 25 kV/m且E80<15 kV/m为准。直流架空输电线路下的耕地、园地、牧草地、畜禽饲养地、养殖水面、道路等场所的合成电场强度E95<30 kV/m。

2.3 实测条件

2.3.1 环境条件

运行初期实测时间为2016年12月及2017年4～5月。运行初期测试温度为12～32 ℃、湿度为32%～55%、风速为0.4～1.8 m/s。运行后期实测时间为2021年5月及10～11月。运行后期测试温度为16～31 ℃、湿度为40%～58%、风速为0.7～1.5 m/s。野外现场条件下很难确保2次实测环境条件完全一致。运行初期和后期2次实测的环境条件虽有一定波动,但温度、湿度、风速等环境条件均满足监测规范要求,气象条件波动幅度较小。因此,2次实测数据具备可比性。检测点之间的距离为10 m。检测点数量为13个。

2.3.2 工况条件

直流输电工程地面合成电场强度主要受运行电压的影响。运行初期正极导线电压为778～801 kV、负极导线电压为-800～-781 kV。运行后期正极导线电压为733～781 kV、负极导线电压为-772～-742 kV。电压参数差异和波动小,具备可比性[11]。

3 监测结果与分析

地面合成电场E80和E95值变化趋势如图1所示。

图1 地面合成电场E80和E95值变化趋势

由图1可知,2次实测的地面合成电场E80和E95值变化趋势一致,并且当测点与中心线距离分别为-20 m与+20 m时(即图1中虚线所示负极和正极导线处),合成电场强度分别出现了最大值与最小值。这说明合成电场监测结果有效。为了确保最终结果的可靠性,本文选取E95的绝对值开展分析。

3.1 换流站

3.1.1 厂界

±800 kV换流站外厂界相同位置处地面合成电场监测结果如图2所示。

图2 ±800 kV换流站外厂界相同位置处地面合成电场监测结果

由图2可知:运行初期地面合成电场整体略小于运行后期,但78%的变化差值小于1 kV/m,整体变化幅度很小,变化趋势整体上也基本一致;2次实测的最大值均出现在直流输电线路出线位置附近,表明换流站厂界地面合成电场强度受直流出线影响最大,与一般规律相符。宁东换流站监测数据整体高于浙江换流站。这是由于电场强度会随着输电线对地高度的增加而降低,而宁东换流站周边地形平坦、浙江换流站周边地形起伏较大,因此结果与一般规律相符。宁东换流站71%的实测值小于2 kV/m,而浙江换流站100%的实测值小于1 kV/m。这表明换流站本体产生的地面合成电场强度整体水平在运行初期和后期均较低。换流站厂界合成电场强度受直流线路进出线的影响较大,距离进出线位置越近的厂界点受直流线路电场影响越大,监测值相应就越高。宁东换流站6#、7#、8#监测点的位置距离直流进出线较近,因此监测值相对较高。这符合一般规律。

3.1.2 衰减断面

±800 kV换流站外衰减断面相同位置处地面合成电场实测结果如图3所示。

图3 ±800 kV换流站外衰减断面相同位置处地面合成电场实测结果

由图3可知:衰减断面处运行初期的地面合成电场强度整体小于后期,与厂界实测结果规律一致。宁东换流站实测数据表现出随着与围墙距离的增加而减弱的衰减趋势。但浙江换流站2次实测数据的衰减趋势不明显,且有随着与围墙距离增加强度增强的趋势。这主要是因为浙江换流站周边地形复杂,衰减断面监测点位距离直流输电线路较近,受直流输电线路产生的合成电场影响较大。2次实测数值最大值均不超过4 kV/m,且地面合成电场整体处于较低水平。

3.2 输电线路

3.2.1 衰减断面

宁浙线±800 kV特高压直流输电工程覆盖范围较大。其主要工程段包括宁夏段、陕西段、河南段、安徽段以及浙江段。本文以上述不同工程段为例,对直流输电工程衰减断面合成电场进行实测研究。±800 kV直流输电线路运行初期及后期的衰减断面合成电场测试结果如图4所示。

图4 ±800 kV直流输电线路运行初期及后期的衰减断面合成电场测试结果

由图4可知:直流输电线路地面合成电场野外现场实测数据受工况、天气、地形等因素影响较大,导致正、负极导线两侧数据的对称性较差;部分数据随距离衰减的趋势不明显且波动较大,与理论预测的一般规律的差异较大;整体上仍能体现最大值在极导线附近、随着与极导线距离增加强度逐渐减弱的基本特征。宁夏段中,运行初期的实测值整体高于后期,且数据的波动幅度较小。陕西段中:在-60～0 m之间,初期的实测值明显高于后期;在30 m后,初期实测值与后期实测值逐渐接近;在50 m以后,二者基本重合。山西段与河南段中,前期的实测数据明显高于后期,并且最大差值出现在-20～-10 m范围内。在0 m之后,河南段的初期实测结果仍高于后期,而山西段的初期实测结果低于后期。安徽段中,后期的实测值曲线大部分位于初期实测值曲线的上方,并且合成电场强度最大值出现在后期实测结果中。浙江段中,在20～60 m的范围内:初期的实测值明显高于后期,且呈现先上升后下降的趋势;后期实测结果波动幅度较小。

衰减断面实测位置线高分别为宁夏段30 m、陕西段40 m、山西段35 m、河南段30 m、安徽段32 m、浙江段52 m。其中:浙江段线高明显偏高,实测数据偏低,可比性不强;宁夏、陕西段虽因环境条件限制,未能获取全部断面数据,但现有数据仍有较强的表征性;山西、河南及安徽段的监测数据可比性好、表征性强。根据实测数据分析,同一相对位置条件下(如线路中心线地面、正或负极导线线下地面等),地面合成电场强度与线高、距离的相关性不强。这表明野外现场环境中直流输电线路地面合成电场分布特征不明显。

3.2.2 电磁环境敏感目标

输电线路电磁环境敏感目标在初期实测时已经进行了全部监测;在后期实测时考虑行政区划分布、线高和距离,选择距离相对较近、线高相对较低、初期监测数据相对较大、具有代表性的点位。因此,输电线路电磁环境敏感目标数据同样来源于2次实测。

电磁环境敏感目标处初期与后期合成电场差值结果如图5所示。

图5 电磁环境敏感目标处初期与后期合成电场差值结果

直流输电线路沿线电磁环境敏感目标相同位置处,地面合成电场运行初期实测值为0.07～18.2 kV/m、后期实测值为0.05～11.92 kV/m。由图5可知,初期与后期差值为正的数据占总数的84%。整体上,初期实测值明显高于后期监测值,差值波动范围为0～10.66 kV/m。78%的波动幅度小于5 kV/m,表明波动的幅度相对较小。电磁环境敏感目标处合成电场强度区间分布结果如表1所示。

表1 电磁环境敏感目标处合成电场强度区间分布结果

由表1可知,合成电场强度实测值中,初期的62%、后期的78%分布在0～ 5 kV/m区间;初期的14%、后期的8%分布在10～20 kV/m区间,占比较低。区间分布表明直流输电线路沿线电磁环境敏感目标处的合成电场强度在初期和后期均能够维持在较低水平,并能够满足E95≤25 kV/m、E80≤15 kV/m的标准限值要求。

3.2.3 沿线合成电场水平变化

根据实测数据资料,宁浙线直流输电线路沿线地面合成电场本底值范围为0.04～0.6 kV/m,运行5年后的本次实测值范围为0.05～11.92 kV/m。这表明地面合成电场水平明显升高。但实测结果中:小于1 kV/m且与本底值水平接近的地面合成电场占总数的44%;1～5 kV/m区间的地面合成电场占30%,5～10 kV/m区间占18%,大于等于10 kV/m占8%。本文研究考虑距离、线高、行政区划等因素,选取有代表性的电磁环境敏感目标作为实测目标,因而实测结果能够反映沿线地面合成电场水平实际情况。

4 结论

±800 kV换流站本体产生的地面合成电场较低,运行初期与后期周边地面合成电场强度较为接近,但总体上运行后期略高于初期。换流站外地形平坦区域地面合成电场有随着与围墙距离的增加而逐渐减弱的趋势。围墙45 m外的电磁环境敏感目标地面合成电场水平较低,接近本底值,表明此距离外地面合成电场受换流站本体的影响很小。野外条件下地面合成电场受环境因素影响较大,±800 kV直流输电线路地面合成电场分布与理论预测规律存在差异,但仍能体现合成电场强度减弱等相关特征。±800 kV直流输电线路衰减断面、电磁环境敏感目标处的地面合成电场实测值均体现出运行初期高于运行后期的特征。这可能与运行后期输电线路导线毛刺减少、电晕现象减弱有关。这表明运行5年后的±800 kV直流输电线路地面合成电场强度相对于运行初期会减弱。在运行5年后,对比地面合成电场本底值可知:±800 kV直流输电线路沿线相同位置处地面合成电场44%的实测值能够维持在本底值水平;小于5 kV/m的实测值占74%。这个结果表明,工程运行提高了沿线区域地面合成电场整体水平,但提高的幅度有限。